一种光集成大功率光能量传输组件
阅读说明：本技术 一种光集成大功率光能量传输组件 (Optical integrated high-power optical energy transmission assembly ) 是由 李艾琳 谢友涵 高楠 谢舒 于 2021-03-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光集成大功率光能量传输组件,其由三部分组成,分别为输入端耦合部件、光纤和输出端耦合部件,所述输入端耦合部件、光纤和输出端耦合部件通过光集成技术集成在一起,成为一个光学件；所述输入端耦合部件从开口端到靠近光纤的一端外径逐渐缩小,其外沿轮廓呈二次函数曲线状。本发明通过光学集成技术,成功地将大功率光纤与输入端和输出端的耦合部件集成为了一体,消除了大功率光纤与两端耦合部件的界面和界限,消除了大功率光纤与两端耦合部件之间界面上的光能量反射与散射,并有效地阻止了高次模向外部有机的强度保护结构中逃逸,大幅度地提高了大功率光能量的传输效率,并且无需使用循环水冷却系统。(The invention discloses an optical integrated high-power optical energy transmission assembly, which consists of three parts, namely an input end coupling part, an optical fiber and an output end coupling part, wherein the input end coupling part, the optical fiber and the output end coupling part are integrated together through an optical integration technology to form an optical part; the outer diameter of the input end coupling part is gradually reduced from the opening end to the end close to the optical fiber, and the outline of the outer edge of the input end coupling part is in a quadratic function curve shape. The invention successfully integrates the high-power optical fiber and the coupling parts of the input end and the output end into a whole through an optical integration technology, eliminates the interface and the boundary between the high-power optical fiber and the coupling parts at the two ends, eliminates the reflection and the scattering of light energy on the interface between the high-power optical fiber and the coupling parts at the two ends, effectively prevents high-order modes from escaping to an external organic intensity protection structure, greatly improves the transmission efficiency of the high-power light energy, and does not need to use a circulating water cooling system.)
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体为一种光集成大功率光能量传输组件。
背景技术
用于通信的光纤是上世纪的一伟大发明，到当今光纤的应用正飞速地向其他的技术领域发展。大功率光纤是光纤领域的一项新技术，大功率光纤不但能够传输强大功率的光信号，又能传输强大的光能量和强大的激光能量。大功率光纤技术的发展促进了工业激光加工技术的发展、促进了军事激光技术和激光医疗等多领域激光技术的发展。optoskand制造的大功率光纤产品和辽宁玮尔量子生产的晶体结构大功率光纤都是当前世界上传导性能优秀的大功率光纤产品。然而，当前实际的应用系统中输入、输出的高效耦合仍是一个很大的技术难点。
目前optoskand的大功率光纤产品几乎垄断了国际和中国的大功率光纤市场。然而，optoskand产品中能够传输数千瓦或数千瓦以上的大功率光纤应用系统必需装备循环水冷却装置。冷却水装置不仅是增加了设备的投资、增加了设备重量和体积，重要的是冷却水带走的是输入光的能量，明显的降低了大功率光纤的传输效率。
Optoskand大功率光纤产品以及国际市场上其它大功率光纤产品之所以必需装备冷却水装置，原因如下：
1.数值孔径不够大，它的NA＝0.2。光纤的数值孔径决定了弯曲损耗，数值孔径大，光纤产生弯曲时引发的损耗小，数值孔径越大引发的弯曲损耗越小；反之，数值孔径小，光纤产生弯曲时引发的弯曲损耗大，数值孔径越小，引发的弯曲损耗越大。由于数值孔径不够大，必然要考虑弯曲引发的损耗。弯曲引发的损耗减低了传输效率并不是主要的，重要的是弯曲引发损耗的那部分能量全部从光纤芯中逃离进入了光纤的保护涂层，被涂层吸收转换成热量在涂层中积累。大功率光纤传输系统弯曲引发的损耗时不能忽视的。传输数千瓦甚至上万瓦的强大功率，即使只产生千分之一的弯曲损耗，瞬间就有数瓦的能量进入光纤的保护涂层，数瓦的能量积累就会到数百瓦，烧毁光纤的保护涂层以及所有的保护结构和措施。
当然，光纤弯曲引发的损耗主要是高次模产生的。optoskand以及国际上其他公司的大功率光纤产品在输入端加装了高次模模式剥离装置，被剥离的高次模能量转换成热被循环冷却水带走。高次模被剔出以后光纤弯曲引发的损耗就能够忽略了。
2.光波导和注入光之间耦合效率低。目前国际上选用输出功率在数千瓦到一万瓦的激光器主要是固体激光器。固体激光器输出的光斑约6mm，而optoskand等大功率光纤产品的标称直径是1mm。6mm的光斑向1mm光纤中注入，比较困难、效率低。为了能够尽可能地提高耦合效率，在光纤的顶端融接了一块打磨成了锥形的石英玻璃块，融接一个石英玻璃块以后注入光的耦合效率明显提高，但是融接一定存在界面，何况石英玻璃块的材料性质和玻璃结构不可能完全相同，存在折射率差。因此，在大功率光纤与石英玻璃块融接的界面上会出现双折射、反射和各种各样的散射，锐利、拉曼、布里渊、菲尼尔等等。在传输强大功率的光能量时折射、反射和所有散射都会在融接的部位产生很多热量和热量的急剧积累，所以，optoskand等目前国际市场流行的大功率光纤应用系统输入、输出耦合部位必需装备冷却水带走折射、反射以及散射产生的热量。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种光集成大功率光能量传输组件，以解决背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种光集成大功率光能量传输组件，其由三部分组成，分别为输入端耦合部件、光纤和输出端耦合部件，所述输入端耦合部件、光纤和输出端耦合部件通过光集成技术集成在一起，成为一个光学件；
所述光纤采用的是光晶体结构组件，所述光纤包括光纤芯、晶体包层、外包层和保护涂层，所述光纤芯的外侧包裹有晶体包层，所述晶体包层由不少于一层光子晶体小管组成，光子晶体小管圆周排列在光纤芯的外侧，相邻的两两光子晶体小管之间相切设置，所述光子晶体小管的层数和尺寸根据产品要求设定，所述晶体包层的外侧包裹有外包层，所述外包层为掺氟的石英玻璃外包层，所述外包层的外侧涂覆有保护涂层。
所述输入端耦合部件从开口端到靠近光纤的一端外径逐渐缩小，其外沿轮廓呈二次函数曲线状，促使注入光线向光纤芯中汇集。
优选地，所述光纤为大功率光能量传输光纤。
优选地，所述输入端耦合部件与光源耦合面的直径为光纤直径的8-12倍，输入端耦合部件的外径逐步渐变到光纤的外径，集成过程中，外径变化按照二次函数方程(1)完成。
Y＝ax2+bx+c (1)
优选地，输入端耦合部件与光纤集成，二者的原材料组分、结构、光学性能以及光波导相同，它们之间没有任何界线，不存在任何界面，不存在折射率变化、不存在光学波导结构缺陷。光从输入端耦合部件到光纤路途中传输光不产生反射、折射及各种散射，不产生较大的能量损失。所以，光集成大功率光能量传输组件的大功率光能量不需要装备循环水装置。
优选地，在光集成大功率光能量传输组件中，本发明的光纤为全反射型光子晶体光纤。其传光的原理与传统光纤相同，光传导仍是依靠光纤芯和晶体包层之间的界面产生全反射。
优选地，组成波导的所述晶体包层是由多个的光子晶体小管组成，晶体包层的折射率数值由光子晶体小管管壁与管内外气体/真空的占空比例决定的，小管管壁占据的空间比例越大，晶体包层的相对折射率越高，反之，小管内外的气体/真空占据的空间比例越大，晶体包层相对的折射率就越低，光集成大功率光能量传输组件的输入端与能量传输部分的理论数值孔径达到了0.8。
优选地，光子晶体结构，光纤芯与周围光子晶体小管内外的气体/真空之间存在清晰的界面，传输光一旦触及到这些界面就会全部反射回光纤芯中，确保被传输光不外泄。构成波导光学包层的所有光子晶体小管周围和管内都充满了气体/真空，光子晶体小管周围和内部的气体/真空与光子晶体小管的管壁组成了光波导结构，是超高纯石英玻璃芯气体/真空包层的波导结构。
优选地，光线穿透光纤芯与晶体包层之间的界面，并在晶体包层中行进的距离非常短，然而传输光总归在气体/真空进行传输，而且每一瞬间都有众多的光线在晶体包层中短暂行进，汇聚众多的短暂行进能量也是非常可观的。在每个瞬间传输光都有可观的一部分能量在气体/真空中传输，有效分散了光纤芯传输光的能量密度，大幅度提高了传输能量的饱和密度。
优选地，输入端耦合部件的理论数值孔径能够达到0.8，为了有最佳的输入耦合和光波导最低弯曲衰耗、最高的传输效率。然而，较大数值的输出数值孔径会使输出端的光斑质量大幅度降低。
优选地，所述光纤芯波作为波导芯，其材料是超高纯石英玻璃，折射率为1.456。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过光学集成技术，成功地将大功率光纤与输入端和输出端的耦合部件集成为了一体，消除了大功率光纤与两端耦合部件的界面和界限，消除了大功率光纤与两端耦合部件之间界面上的光能量反射与散射，并有效地阻止了高次模向外部有机的强度保护结构中逃逸，大幅度地提高了大功率光能量的传输效率，并且无需使用optoskand等国际市场上各大功率光纤产品应用系统中必需装备的循环水冷却系统。
2、本发明大功率光能量传输部分采用的是光子晶体结构的光波导TIR–PCF。光子晶体结构光波导不单纯依靠光纤芯和晶体包层之间界面的全反射。光纤芯与周围光子晶体小管内外的气体/真空之间存在清晰的界面，传输光一旦触及到这些界面就会全部反射回光纤的芯中，确保被传输光不外泄。构成波导光学包层的所有晶体小管周围和管内都充满了气体/真空，小管周围和内部的气体/真空与晶体小管的管壁也组成了光波导结构，是真正意义上的超高纯石英玻璃芯气体/真空包层的波导结构，是传输衰耗低的光波导。所以，从输入端注入的高阶模(包层模)会保持在晶体小管管壁与周围气体/真空组成的光波导中超低损耗地传输。在能量传输系统中，包层中高阶模的能量也是从光源发出的有效光能量，约占总能量的12～20％。高阶模在晶体包层中传输不仅仅依靠小管管壁与周围气体/真空界面上的全反射，还利用了光的另一本性：光在传播途中总是选择光密度较大物质作为它的途径。当光线触及到小管管壁与周围气体/真空之间的界面时，绝大部分的光线不会界面上立刻被反射，而是穿透界面在气体/真空包层中前进一小段距离后选择光密物资重新进入光纤芯。光线穿透芯/包层之间的界面在包层中行进的距离非常短，然而传输光总归在气体/真空进行传输，而且每一瞬间都有众多的光线在包层中短暂行进，汇聚众多的短暂行进能量也是非常可观的。在每个瞬间传输光都有可观的一部分能量在气体/真空中传输，有效分散了光纤芯传输光的能量密度，大幅度提高了传输能量的饱和密度。
3、本发明的光子晶体小管管壁与有机保护涂层之间设有一个掺氟的石英玻璃外包层阻隔。掺氟的石英玻璃外包层的折射率低于光子晶体小管材料的折射率，因此，进入光子晶体小管管壁的光没有可能逃离小管管壁进入有机的保护涂层，光子晶体小管管壁材料光学特性与光纤芯材料完全相同，高阶模也就不会离开小管管壁向波导的芯中聚集，高阶模稳稳地占据着自己的模式场，抑制了传输过程中模式转换和扰动，大幅度降低了非线性和传输噪声的干扰，大幅度提高了传输效率。
4、本发明的晶体包层的折射率是由光子晶体小管的管壁与小管内外气体/真空占据的空间比例决定的。在集成过程中靠近末端一段距离内光子晶体小管管壁与内外气体/真空占据的空间比例是能够作灵活的调整。所以，光集成大功率光能量传输组件既有最高的输入耦合效率又有极高质量的输出光斑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光集成大功率光能量传输组件的结构示意图；
图2为本发明中输入端耦合部件的结构示意图；
图3为本发明中光纤的横截面剖视图；
图4为光纤全反射传输原理图。
图5为光线穿透光纤芯和晶体包层之间的界面的示意图。
图6为集成过程中光子晶体小管管壁的占空间的比例随靠近末端距离变化的关系图。
附图标记说明：
1-输入端耦合部件、2-光纤、3-输出端耦合部件、21-光纤芯、22-晶体包层、23-外包层和24-保护涂层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例：
如图1-3所示，本发明提供了一种光集成大功率光能量传输组件，其由三部分组成，分别为输入端耦合部件1、光纤2和输出端耦合部件3，所述输入端耦合部件1、光纤2和输出端耦合部件3通过光集成技术集成在一起，成为一个光学件。
所述光纤2为大功率光能量传输光纤。
所述输入端耦合部件1从开口端到靠近光纤的一端外径逐渐缩小，外沿轮廓呈二次函数曲线状，促使注入光线向光纤芯中汇集。不是一个简单的锥形体。
所述输入端耦合部件1与光源耦合面的直径为光纤2直径的8-12倍，将输入端耦合部件1与光纤2集成为一体，就要从输入端耦合部件2粗大的外径逐步渐变到光纤2设定的外径，集成过程中，外径变化按照二次函数方程(1)完成。
Y＝ax2+bx+c (1)
输入端耦合部件1与光纤2集成，二者的原材料组分、结构、光学性能以及光波导都完全相同，它们之间没有任何界线，不存在任何界面，不存在折射率变化、不存在光学波导结构缺陷。光从输入端耦合部件1到光纤2路途中传输光不产生反射、折射及各种散射，不产生较大的能量损失。所以，光集成大功率光能量传输组件的大功率光能量(包括强大的激光能量)不需要装备循环水装置。
在光集成大功率光能量传输组件中，所述光纤2采用的是光晶体结构组件，如图3所示。所述光纤2包括光纤芯21、晶体包层22、外包层23和保护涂层24，所述光纤芯21的外侧包裹有晶体包层22，所述晶体包层22由不少于一层光子晶体小管组成，光子晶体小管圆周排列在光纤芯21的外侧，相邻的两两光子晶体小管之间相切设置，所述光子晶体小管的层数和孔径根据产品要求设定，所述晶体包层22的外侧包裹有外包层23，所述外包层23为掺氟的石英玻璃外包层，所述外包层23的外侧涂覆有保护涂层24。
本发明的光纤2为全反射型光子晶体光纤。其传光的原理与传统光纤相同，光传导仍是依靠光纤芯和晶体包层之间的界面产生全反射，如图4所示。
组成波导的所述晶体包层22是由多个的光子晶体小管组成，晶体包层22的折射率数值由光子晶体小管管壁与管内外气体/真空的占空比例决定的，小管管壁占据的空间比例越大，晶体包层22的相对折射率越高，反之，小管内外的气体/真空占据的空间比例越大，晶体包层22相对的折射率就越低，光集成大功率光能量传输组件的输入端与能量传输部分的理论数值孔径达到了0.8。
光子晶体结构，如图5所示，光纤芯21与周围光子晶体小管内外的气体/真空之间存在清晰的界面，传输光一旦触及到这些界面就会全部反射回光纤芯21中，确保被传输光不外泄。构成波导光学包层的所有光子晶体小管周围和管内都充满了气体/真空，光子晶体小管周围和内部的气体/真空与光子晶体小管的管壁组成了光波导结构，是真正意义上的超高纯石英玻璃芯气体/真空包层的波导结构，所以，从输入端注入的高阶模(包层模)会保持在晶体小管管壁与周围气体/真空组成的光波导中超低损耗地传输。在通信系统中高阶模的混杂在传输的光信号中会大幅度降低通信系统的传输速率。而在能量传输系统中，晶体包层22中高阶模的能量也是从光源发出的有效光能量，占总能量的12-20％。高阶模在晶体包层22中传输不仅仅依靠光子晶体小管管壁与周围气体/真空界面上的全反射。然而，光集成大功率光能传输组件还利用了光的另一本性：光在传播途中总是选择光密度较大物质作为它的途径。当光线触及到小管管壁与周围气体/真空之间的界面时，绝大部分的光线不会在界面上立刻被反射，而是穿透界面在气体/真空包层中前进一小段距离后重新进入光纤芯21。
光线穿透光纤芯21与晶体包层22之间的界面，并在晶体包层22中行进的距离非常短，然而传输光总归在气体/真空进行传输，而且每一瞬间都有众多的光线在晶体包层22中短暂行进，汇聚众多的短暂行进能量也是非常可观的。在每个瞬间传输光都有可观的一部分能量在气体/真空中传输，有效分散了光纤芯21传输光的能量密度，大幅度提高了传输能量的饱和密度。
晶体包层22与保护涂层24之间设有掺氟的石英玻璃外包层阻隔。掺氟的石英玻璃外包层的折射率低于光子晶体小管的折射率，因此，进入光子晶体小管管壁的光不会进入有机的保护涂层24，光子晶体小管管壁材料光学特性与光纤芯21材料相同，高阶模也不会离开光子晶体小管管壁向波导的芯中聚集，高阶模稳稳地占据模式场，抑制了传输过程中模式转换和扰动，大幅度降低了非线性和噪声的干扰，同样的波导面积，光集成大功率光能量传输组件传输光能量的饱和功率密度比optoskand及其它当前国际流行的传输大功率光能量的产品高20％以上。输入端耦合部件1、光纤2和输出端耦合部件3
本发明的光集成大功率光能量传输组件输出端耦合部件3的数值孔径能够根据应用系统的技术要求选择最佳的数值。输入端耦合部件1的理论数值孔径能够达到0.8，为了有最佳的输入耦合和光波导最低弯曲衰耗、最高的传输效率。然而，较大数值的输出数值孔径会使输出端的光斑质量大幅度降低。
波导的数值孔径是由波导芯与包层之间的折射率差决定的，
波导芯即光纤芯，其材料是超高纯石英玻璃，折射率1.456；晶体包层22的折射率是由光子晶体小管的管壁与小管内外气体/真空占据的空间比例决定的。
在集成过程中靠近输出端耦合部件3一段距离内光子晶体小管管壁与内外气体/真空占据的空间比例是能够调整的。如图6所示，在集成过程中光子晶体小管管壁的占空间的比例随着距离输出端耦合部件3末端越远，比例越大。一个光集成组件输入和输出能够选择相差很大，不同数值的数值孔径。既有最高的输入耦合效率又有极高质量的输出光斑，是当代强大功率光能量传输技术的国际性创新成果。
五.实施方案：
1.本发明采用光集成技术将大功率光能传输的输入端耦合部件1、大功率的光纤2和输出端耦合部件3集成为了一个大功率光能量传输组件，消除了大功率光纤输入端、输出端耦合器件与大功率光纤连接或融接界面上传输光产生的折射、双折射、反射以及各种各样的散射，大幅度减少了传输光的能量损失。
2.大功率光能量传输部分采用的是光子晶体结构的光波导TIR–PCF。光子晶体结构光波导不单纯依靠光纤芯和晶体包层之间界面的全反射。光纤芯与周围光子晶体小管内外的气体/真空之间存在清晰的界面，传输光一旦触及到这些界面就会全部反射回光纤的芯中，确保被传输光不外泄。构成波导光学包层的所有晶体小管周围和管内都充满了气体/真空，小管周围和内部的气体/真空与晶体小管的管壁也组成了光波导结构，是真正意义上的超高纯石英玻璃芯气体/真空包层的波导结构，是传输衰耗低的光波导。所以，从输入端注入的高阶模(包层模)会保持在晶体小管管壁与周围气体/真空组成的光波导中超低损耗地传输。在能量传输系统中，包层中高阶模的能量也是从光源发出的有效光能量，约占总能量的12～20％。高阶模在晶体包层中传输不仅仅依靠小管管壁与周围气体/真空界面上的全反射，还利用了光的另一本性：光在传播途中总是选择光密度较大物质作为它的途径。当光线触及到小管管壁与周围气体/真空之间的界面时，绝大部分的光线不会界面上立刻被反射，而是穿透界面在气体/真空包层中前进一小段距离后重新进入光纤芯。光线穿透芯/包层之间的界面在包层中行进的距离非常短，然而传输光总归在气体/真空进行传输，而且每一瞬间都有众多的光线在包层中短暂行进，汇聚众多的短暂行进能量也是非常可观的。在每个瞬间传输光都有可观的一部分能量在气体/真空中传输，有效分散了光纤芯传输光的能量密度，大幅度提高了传输能量的饱和密度。
晶体小管管壁与有机涂层之间设有一个掺氟的石英玻璃外包层阻隔。掺氟的石英玻璃外包层的折射率低于晶体小管材料的折射率，因此，进入晶体小管管壁的光没有可能逃离小管管壁进入有机的保护涂层，小管管壁材料光学特性与光纤芯材料完全相同，高阶模也就不会离开小管管壁向波导的芯中聚集，高阶模稳稳地占据着自己的模式场，抑制了传输过程中模式转换和扰动，大幅度降低了非线性和传输噪声的干扰，大幅度提高了传输效率。
3.晶体包层的折射率是由光子晶体小管的管壁与小管内外气体/真空占据的空间比例决定的。在集成过程中靠近末端一段距离内光子晶体小管管壁与内外气体/真空占据的空间比例是能够作灵活的调整。所以，光集成大功率光能量传输组件既有最高的输入耦合效率又有极高质量的输出光斑。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。